До винтика: мультимедийные проекторы на основе технологии DLP

Совсем немного истории

Прежде всего, что такое DLP? DLP – это Digital Light Processing, цифровая обработка света.

Технология цифровой обработки света основана на применении специальных микрозеркальных микросхем, по-английски – DMD, Digital Micromirror Device.

DLP-технология родилась в США благодаря перспективным разработкам оборонного агентства DARPA¹.

DARPA – это очень интересная организация, пожалуй, не имеющая аналогов в мире. Это агентство Министерства обороны США, отвечающее за разработку новых технологий для использования в вооружённых силах. DARPA готово финансировать самые сумасшедшие разработки, понимая, что 90% из них «не выстрелит», но среди оставшихся 10% окажется «золотое яичко», которое позволит Пентагону совершить технологический прорыв.

Сейчас трудно сказать, какую задачу решало агентство DARPA, размещая в конце 1980-х гг. в фирме Texas Instruments крупный государственный заказ. То ли учёные надеялись создать систему точной фокусировки мощного лазерного пучка на боеголовке баллистической ракеты, то ли им была нужна надёжная технология для отображения показаний приборов на стекло кабины истребителя, как у советских самолётов, сейчас это уже неважно. А важно то, что в 1987 г. учёный-оптик Ларри Хорнбек, работавший в Texas Instruments, изобрёл первую в мире DMD микросхему.

Надо отдать должное топ-менеджерам компании: ознакомившись с изобретением, они немедленно запустили проект по исследованию коммерческой применимости DMD и через семь лет, в 1994 г., был продемонстрирован прототип DLP-проектора. Технология быстро получила признание специалистов как перспективная, хотя поколебать позиции ЖК проекторов в те годы было нелегко.

С этого времени и начинается победное шествие DLP проекторов, уверенно оттеснивших все другие технологии и, по некоторым оценкам, ныне занимающим до 70% рынка профессиональных проекторов.

Более того, компания Texas Instruments выкупила и по сей день поддерживает исключительный патент на DMD микросхемы, поэтому все без исключения DLP проекторы в мире и все проекционные DLP видеокубы используют их микросхемы.

Как это работает?

В основе DLP проектора лежит матрица из DMD микросхем.

Рассмотрим её конструкцию более подробно.

Рис. 1 DMD микросхема

DMD-микросхема — это кремниевый кристалл КМОП-памяти, на котором сформирована матрица, состоящая из квадратных алюминиевых микрозеркал (рис. 1), способных поворачиваться на определённый угол в одну или другую сторону. То есть микрозеркало будет либо отражать падающий свет, либо направлять его в специальный поглотитель. Соответственно, на экране возникнет светлая или тёмная точка.

Поскольку угол поворота зеркала определяется геометрическими параметрами структуры, а она формируется с помощью точной кремниевой фотолитографии, все элементы DMD-матрицы оказываются практически идентичными. Первоначально размер зеркала был 16x16 мкм, а угол его поворота 10°, в сегодняшних матрицах размер зеркал зависит от их разрешения, а угол отклонения достиг 12°. Квадратик в центре зеркала от «ножки» в микросхемах последних поколений отсутствует.

Каждое микрозеркало крепится на т.н. торсионном подвесе, благодаря чему DLP-матрица может надёжно работать много лет. Торсионный подвес образуют ленты особой формы из сверхпрочного материала (на рисунке – подвижные пластины). По оценкам компании Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ в трёхматричном проекторе достигает 76 тыс. ч. Для управления поворотами микрозеркал используется явление электростатического притяжения между адресным электродом и зеркалом.

Информация о состоянии каждого пикселя картинки записывается в соответствующую ему ячейку памяти – обычный триггер. Его противофазные выходы подключены к адресным электродам микроструктуры, а потому содержимое ячейки памяти влияет на положение зеркала.

Работа DMD-матрицы предусматривает шесть различных состояний. В состоянии готовности памяти все триггеры матрицы загружены нужной информацией (загрузка осуществляется последовательно, по строкам). В состоянии сброса все микрозеркала притягиваются к адресным электродам импульсом повышенного напряжения, подаваемым на шину смещения, т. е. на сами зеркала. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала освобождаются, выстраиваясь в нейтральном положении, т. е. в одной плоскости. Состояние дифференциации предусматривает подачу на шину смещения промежуточного (между логическим нулём и единицей) напряжения, при котором электростатические поля между адресными электродами и зеркалом подталкивают освобождённое зеркало в нужную сторону, определяемую содержимым ячейки памяти. В состоянии приземления на шину смещения подаётся такое напряжение, при котором зеркала ускоренно притягиваются к адресным электродам, поворачиваясь на максимальный угол. В процессе загрузки памяти зеркала остаются неподвижными в одном из двух наклонных положений, а содержимое ячеек памяти обновляется по строкам.

В процессе работы DMD-матрица попеременно проходит шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти, готовность памяти. Фаза сброса помогает преодолеть силы прилипания. Оказывается, что при малых размерах механической структуры они настолько велики, что одной упругости ленточного подвеса для высвобождения зеркала не достаточно.

Управление зеркалами на DMD-матрице достигается изменением напряжения на шине смещения, которое формируется специальными электронными схемами, размещёнными вне DMD-кристалла. Все зеркала в структуре поворачиваются синхронно, что благоприятно сказывается на динамических свойствах матрицы, т. е. она хорошо передаёт движение.

В ранних образцах DMD-матриц случались залипания микрозеркал, но сейчас эта «детская болезнь» преодолена.

При производстве матриц, используется стандартная кремниевая технология. На кристалле формируется матрица запоминающих элементов размером 800х600, 1024х768 или больше с двумя слоями металлизации для межсоединений. Чтобы ускорить доступ, строки и столбцы разбиты на группы, обслуживаемые своими дешифраторами и демультиплексорами. Третий слой металлизации образуют адресные электроды и шина смещения с «посадочными» зонами. Окантовка микрозеркального поля зачерняется, чтобы вокруг экрана DLP-проектора не было паразитной засветки.

Готовый кристалл помещают в металлокерамический корпус с кварцевым стеклом на месте верхней крышки. Контактные площадки по периметру кристалла соединяют с выводами корпуса тонкими золотыми проводниками. С обратной стороны корпуса в центре располагается прямоугольное металлизированное поле для отвода тепла от DMD-матрицы, а по периметру размещены позолоченные контактные площадки наподобие тех, что можно видеть на процессорах Intel для гнезда LGA 775.

Рис. 2. DMD микросхема

В процессе совершенствования DLP-технологии компания Texas Instruments сменила несколько поколений DMD-матриц, постоянно улучшая их характеристики.

Как устроен DLP проектор

Устройства проецирования изображений известны очень давно – это и слайд-проекторы, эпидиаскопы и другие тому подобные устройства. Главной их особенностью являлось обязательное наличие физического объекта проецирования – слайда, диапозитива, рисунка на плёнке и т.п.

Рис. 3. Принцип действия мультимедийного проектора

Современному мультимедийному проектору физический объект для проецирования не требуется – для этого он использует электронный сигнал. Поэтому проблема создания качественных статических и динамических изображений в значительной степени потеряла актуальность. Сейчас любой человек, овладевший тем или иным компьютерным пакетом, может создавать весьма сложные и красивые рисунки и анимации.

Как же устроен современный DLP проектор?

Он обязательно имеет набор следующих основных и вспомогательных устройств (систем).

Источник света. Для мощных проекторов обычно используют одну или несколько специальных ртутных или ксеноновых ламп (ламп сверхвысокого давления или маталлогалоидных).

Металлогалоидные лампы получили название из-за добавок солей йода и брома. Полезный световой поток таких ламп примерно в два раза больше, чем у обычных и достигает 3 ANSI лм/Вт. Цветопередача у металлогалоидной лампы значительно лучше, чем у галогенной, благодаря непрерывному, а не линейчатому, спектру излучения. Свет этих ламп белый и больше похож на дневной, тогда как у галогенных он жёлтый.

Срок службы ламп определяется временем, по истечении которого световой поток уменьшается вдвое. Средний ресурс ламп составляет от 1000 до 2000 часов.

Лампы сверхвысокого давления – развитие компанией PHILIPS идеи металлогалоидных источников света. Эти лампы стоят дороже. Давление в их колбе превышает 100 атмосфер. Светотехническая эффективность составляет 5 ANSI лм/Вт, а ресурс 4000 часов. Лампы сверхвысокого давления применяют в своих моделях фирмы SONY, SANYO и другие производители проекторов. У этого вида ламп к концу срока службы световой поток снижается лишь на 25%.

До настоящего времени подавляющее большинство ламп для проекторов производится всего тремя компаниями – Philips, Osram и Ushio.

В последние годы в ЖК проекторах стали использовать сверхъяркие светодиоды, цвет свечения которых может меняться в зависимости от напряжения питания.

Для мощных кинотеатральных DLP проекторов часто используют блок ламп, содержащий 2-4 излучателя. Это позволяет, во-первых, не прерывать трансляцию в случае отказа одной лампы и, во-вторых, увеличить срок службы ламп за счёт их поочерёдного использования или использования в т.н. «эко-режиме» при пониженном напряжении питания.

Ртутные и ксеноновые лампы имеют невысокие КПД, и поэтому выделяют много тепла, которое приходится отводить. До недавних пор единственным возможным вариантом теплообменника была система принудительного воздушного охлаждения, однако в последнее время фирмы всё чаще обращаются к системам жидкостного охлаждения. Причинами этого является то, что, во-первых, система жидкостного охлаждения гораздо эффективнее воздушного, поскольку выше удельная теплоёмкость носителя, а, во-вторых, снижается шум проектора. Получить шум системы воздушного охлаждения в 30 дБ не так-то просто, а в тихом помещении он будет ощутимо заметен.

Для оптической системы источник света является точкой. Чтобы собрать его и направить на матрицу используют систему линз, называемую конденсором. Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовой апертуре до 0,1 применяют одиночные линзы, при 0,2-0,3 — двухлинзовые системы, свыше 0,3 — трёхлинзовые. Наиболее распространены конденсоры из двух плоско-выпуклых линз, обращённых сферическими поверхностями друг к другу. Эта схема позволяет уменьшить сферические аберрации.

Свет от источника, собранный конденсором, поступает на самую главную часть проектора, устройство, управляющее световым потоком. Оно может быть просветным или отражающим. В DLP проекторе используется отражающая матрица.

Отразившись от матрицы DMD микросхем, световой поток через объектив проецируется на экран.

К другим устройством проектора, не упомянутым ранее, относят блок электроники с процессором, блок управления, блок коррекции трапецеидальных искажений и блок питания.

Основные характеристики DLP проекторов

Основными характеристиками мультимедийных, и, в том числе, DLP проекторов обычно считаются:

• разрешающая способность (разрешение),
• световой поток (яркость),
• вес.

Дополнительными характеристиками, влияющими на выбор проектора, являются:

• контрастность,
• равномерность освещения,
• наличие ZOOM-объектива,
• количество и типы входных и выходных разъёмов.

Кроме того, необходимо учитывать возможность обслуживания приобретённого аппарата (сервис).

Разрешающая способность

Этот параметр характеризует дробность видео картинки, создаваемой проектором, и определяется разрешением, т.е. физическим числом пикселей матрицы проектора.

Для формата изображения 4:3 наиболее распространёнными являются следующие форматы: VGA (640х480), SVGA (800х600), XGA (1024х780), SXGA (1280х1024), SXGA+ (1400х1050), UXGA (1600x1200), QXGA (2048x1536).

Для формата изображения 16:9, 16:10, 15:9 или близкого к ним: W XGA (1280х768 либо 1280х780), HD720 (1280х720), W VGA (864х480), W SVGA (1024х576), Full HD (1920x1080), WUXGA (1920x1200), HD 4K (4096x2400).

В каждой паре чисел первое показывает число пикселей по горизонтали, а второе – по вертикали изображения.

Надо отметить, что проекторы с разрешением VGA уже не выпускаются, и в список включены для полноты картины. Существуют и другие, менее распространённые разрешения.

Чем выше разрешение, тем меньше размеры элементов изображения и тем более качественным, фотореалистичным оно смотрится на экране. Однако, с увеличением разрешения стоимость проекторов быстро растёт. С другой стороны, относительная стоимость проекторов от поколения к поколению быстро падает, поэтому какие либо конкретные рекомендации давать сложно. Однако ясно, что если проектор планируется для домашнего кинотеатра, его разрешение должно быть Full HD. С другой стороны, разрешение 4К для этой цели является явно избыточным хотя бы потому, что на год написания этой брошюры (2014) не существовало серийных источников контента с таким разрешением. Это проекторы, рассчитанные на большие панели, и предназначены для работы от специальных мультимедийных плееров.

Напомним, что процессор проектора способен выполнять как повышающую, так и понижающую конверсию входного сигнала. Здесь стоить обратить внимание на одну тонкость. Дело в том, что не все проекторы обладают мощными и совершенными процессорами, особенно из бюджетной части модельного ряда. Поэтому иногда очень хорошие результаты может дать приобретение внешнего скейлера, чей мощный, специализированный процессор справится с задачей конверсии гораздо лучше.

Примером такого прибора является цифровой масштабатор-коммутатор VP-740 израильской фирмы Kramer Electronics (рис. 4).

Рис.4 Цифровой масштабатор-коммутатор Kramer Electronics VP-740

Световой поток

Световой поток – это величина, характеризующая количество световой мощности в потоке излучения. Световой поток – величина субъективная в том смысле, что оценивается в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза.

Световой поток мультимедийных проекторов измеряют в ANSI² люменах Этот параметр был введён в 1982 г. в качестве единицы, характеризующей среднюю величину светового потока проектора по девяти равномерно распределённым по площади экрана зонам.

Световой поток проекторов может находиться в диапазоне до 10 тыс. ANSI лм, но для домашнего кинотеатра или небольшого офиса вполне достаточно будет и 3 тыс. ANSI лм, а если в проекторе в качестве источника света используется светодиод, то световой поток составит всего несколько сотен и даже десятков ANSI лм.

На практике проекторы используют в условиях подтемнения или обычного освещения.

«Подтемнение» означает, что засветка экрана от посторонних источников не должна превышать 20 люкс. То есть окна вблизи экрана должны быть занавешены, яркий свет вблизи экрана отключён, но в помещении достаточно светло для чтения документов, иначе работать будет просто некомфортно.

Термин «обычное освещение» означает, что помещение перед включением проектора не затемняется, однако всё-таки нужно избегать попадания на экран прямого солнечного света яркое потолочное освещение перед экраном лучше выключить.

Чем больше яркость проектора, тем лучше картинка. Краски более контрастны, больше возможностей для регулировок параметров изображения.

Приведённая ниже эмпирическая формула позволяет сделать приблизительную оценку требуемой мощности светового потока проектора:

Ф = S x к

Где: Ф – световой поток в ANSI лм;
S – площадь экрана в кв. м;
к – коэффициент, на величину которого влияет уровень освещённости помещения.

Значение к для незатемнённых помещений составляет 500-800, а для затемнённых – 200-350.

Контрастность проектора

Контрастность может быть представлена в спецификации проектора одним из двух способов. Если указана просто Контрастность, то этот параметр обычно измерен на основе метода On/Off, то есть измерение отношений «самого белого» и «самого чёрного» элементов изображения, которые способен воспроизводить данный проектор. Если же указана ANSI Контрастность, то соотношение было определено при отображении на экране шахматного поля (белых и черных квадратов) и измерения и сравнения относительной яркости каждого из них. Вариант On/Off даёт более высокие значения, тогда как вариант ANSI – несколько более точные.

Некоторые проекторы имеют т.н. динамическую или ирисовую диафрагму, установленную между источником света и объективом. Проектор несколько раз в секунду оценивает общую яркость изображения и по результатам измерений регулирует световой поток за счёт приоткрывания или закрывания отверстия динамической диафрагмы.

Динамическая диафрагма увеличивает On/Off контрастность. Темные области будут представляться темнее, а яркие будут выглядеть ярче. Динамическая диафрагма не влияет на показатель ANSI контрастность.

Вес проектора

DLP проекторы обычно тяжелее своих жидкокристаллических собратьев и могут весить несколько десятков кг. Например, вес проектора Barco HDX-W12 составляет 50 кг.

Характеристики объектива

Современные мультимедийные проекторы обычно комплектуются варио объективами, обладающими изменяемым фокусным расстоянием: объективы с трансфокаторами, или ZOOM-объективы. Благодаря наличию ZOOM-объектива заметно упрощается подготовка к видео показам, поскольку, не передвигая проектор, можно менять размер изображения.

Самые совершенные модели оснащены объективами с электроприводами. Это очень удобно при потолочном креплении проектора, однако повышает стоимость проектора.

Анализ конструкции DLP проектора показывает его достоинства и недостатки.

К достоинствам можно отнести возможность работы с очень большими световыми потоками. Конечно, и возможности микрозеркал не беспредельны, но всё-таки они гораздо больше, чем у ЖК, поэтому мощные кинотеатральные проекторы выполнены по технологии DLP. Исключений нет.

Другим существенным достоинством является меньшая пикселизация изображения по сравнению с ЖК.

Рис. 5. Сравнение пикселизации изображения у ЖК и DLP проекторов

Наконец, у DLP проекторов отсутствует проблема чёрного цвета, поскольку у них чёрный цвет – это просто отсутствие цвета.

Есть и недостатки, и они весьма серьёзны.

Прежде всего, это неприятный эффект радуги у одноматричных проекторов. «Лечится» переходом на трёхматричную схему, что, естественно, влечёт за собой ухудшение массогабаритных характеристик и рост цены.

Во-вторых, и это тоже характерно для одноматричных проекторов, существенны проблемы с цветопередачей, особенно жёлтых и голубых тонов.

В-третьих, для управления огромным количеством микрозеркальных микросхем требуется мощный и весьма дорогой микропроцессор.

Управление яркостью изображения в DLP проекторах

До сих пор мы говорили об основных принципах формирования изображения в DLP проекторах, но не рассматривали принципы управления яркостью и формирования цветной картинки. Сначала поговорим об управлении яркостью.

Поскольку источник света равномерно освещает всю матрицу DMD микросхем, управление яркостью каждого пикселя, очевидно, должно осуществляться на уровне отдельной микросхемы. Это реализовано за счёт управления временем, которое микрозеркало отражает свет от источника. Короткие импульсы света интегрируются в мозгу зрителя и создают ощущение более или менее яркого пикселя (рис. 6). Такой способ управления в радиотехнике называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Чем больше длительность жёлтых импульсов на осциллограмме, тем меньше скважность сигнала и тем больше величина напряжения Uвых (на рисунке зелёного), соответствующего яркости пикселя.

Скважностью S в радиотехнике принято называть отношение:

S = T/τ

Где: S – скважность;
Т – период повторения;
τ – длительность импульса.

Рис. 6. К пояснению принципа ШИМ

На практике это выглядит следующим образом:

Рис. 7. К пояснению принципа ШИМ

На фото 7 отчётливо видно, что левое изображение пересветлено.

Как получается цвет в DLP проекторах

Первые DLP проекторы имели одну матрицу DMD микросхем, поэтому для получения цветного изображения приходилось использовать схему (рис. 8) с цветовым колесом (рис. 9). Колесо состояло из нескольких цветовых сегментных фильтров и вращалось с большой скоростью (до 10 тыс. об/мин). Такое техническое решение обеспечивало приемлемую цветопередачу, однако создавало много проблем. Во-первых, возникал т.н. эффект радуги, в результате которого изображение на экране «разваливалось» (рис. 10). Правда, наблюдали этот эффект не все люди. В «железе» одноматричный DLP проектор выглядит, как показано на рис. 11.

Вторая проблема заключалась в том, что не все цвета воспроизводились одинаково хорошо, особенно большие проблемы возникали с голубыми и жёлтыми оттенками. Производители по-разному боролись с этой проблемой, например, увеличивая количество цветных секторов в колесе, меняя их ширину и алгоритм работы процессора. Всё это позволяло, как правило, улучшить воспроизведение одних цветов за счёт других. Кроме того, увеличение сегментов цветового колеса влекло за собой увеличение количества границ между сегментами, т.н. «спиц». При большой скорости вращения колеса спицы загораживали источник от объектива заметное время, и изображение получалось тусклым.

Некоторые производители предоставляли пользователям возможность выбрать тип цветового колеса в зависимости от изображений, которые должен был воспроизводить проектор.

Рис. 8. Оптическая схема одноматричного DLP проектора с цветовым колесом

Рис. 9. Цветовое колесо

Рис. 10. Эффект радуги у одноматричного DLP проектора

Рис. 11. Одноматричный DLP проектор со снятым кожухом

Но всё это были полумеры, не решавшие органичные проблемы одноматричных DLP проекторов. И только переход к трёхматричной оптической схеме (рис. 12) позволил преодолеть эти проблемы. Как видно, эта оптическая схема не требует цветового колеса, а вместе с ним исчезают и все органические недостатки одноматричной схемы проекторов. Вместе с тем, за качество изображения приходится платить высокой сложностью оптического блока (рис. 13) и высокой ценой проектора.

Рис. 12. Трёхматричная оптическая схема DLP проектора

Рис. 13. Оптический блок трёхматричного DLP проектора

Для примера рассмотрим DLP проектор HDX-W14 компании Barco, построенный на трёх 0,96 дюймовых DMD матрицах (рис. 14).

Рис. 14. Проектор HDX-W14 компании Barco

Проектор обладает следующими основными техническими характеристиками:

• Разрешение 1920 x 1200 (WUXGA);
• Светоотдача 13000 ANSI-люмен;
• Контрастность 1850:1 (стандартный режим) и 2400:1 (режим высокой контрастности).

Сдвиг оптической линзы:

• По вертикали: от -10% до +110%;
• По горизонтали: от -30% до +30% на трансфокаторе (с памятью).

• Ксеноновая лампа мощностью 2,5 кВт;
• Срок эксплуатации лампы 1750 часов;
• Ориентация: Стол — потолок — сторона (книжная) — вертикальная;
• Входы DVI-I (HDCP, включая аналоговый сигнал RGB YUV), SDI/HDSDI/двойной HDSDI/3G/BarcoLink;
• Контроль – проводной XLR, ИК, RS-232, вход/выход DMX512, встроенный веб-обозреватель, Projection Toolset;
• Дополнительное управление по Wi-Fi и GSM/мобильному телефону;
• Соединение сети 10/100 Мбит/с Ethernet (на RJ45), Wi-Fi;
• Энергопотребление 2600 Вт;
• Уровень шума (при 25 °C) 50 дБ(A);
• Габариты (WxLxH) 475 x 725 x 382 мм;
• Вес 50 кг.

Поскольку компания Barco de facto является одним из лидеров рынка профессиональных DLP проекторов большой мощности, а серия проекторов HDX удостоена награды InAVation за самый инновационный коммерческий проектор, то на эти характеристики следует ориентироваться интеграторам при выборе проектора для решения своих задач.